Радиационная безопасность в космосе

  Космический “ТОКАМАК”.   

 На 1-м советском  искусственном спутнике Земли  не было никакой научной аппаратуры, за исключением, пожалуй, самого  радиопередатчика, посылавшего первые  рукотворные сигналы с орбиты. Радиоволны передатчика “просвечивали”  ионосферу Земли, предоставляя  учёным сведения о распределении  плотности ионизированной оболочки  Земли. 
    Но уже на 2-м советском спутнике стояла специальная аппаратуры (это были простые газоразрядные счётчики) для изучения космических лучей. Эти приборы создал Сергей Вернов с сотрудниками из Московского университета. По сути, эта была первая в мире научная аппаратуры, запущенная человеком в космическое пространство. Какие задачи выполняла эта аппаратура? 
    Будучи “космиком”, С. Вернов, естественно, поставил задачу исследования космических лучей за пределами атмосферы. Что можно было ожидать из этих измерений? 
    Поток космических лучей должен возрастать по мере удаления от Земли из-за существования магнитного поля. Помимо этого, должна наблюдаться широтная зависимость потока: вблизи полюсов его величина должна быть больше, чем в районе экватора. Должен меняться и состав космических лучей, т.к. измерения проводятся вне атмосферы, где нет вторичных частиц. Пожалуй, всё… 
    Спутник был запущен в канун праздника, дня Революции. И уже на первых витках он зарегистрировал нечто необычное – поток частиц не следовал широтной зависимости, испытывая сильные флуктуации. Что бы это могло быть? “Взглянув” на Солнце, учёные обнаружили проявление солнечной активности – как раз в это время наблюдалась вспышка. Естественно было предположить вторжение солнечных частиц в окрестности Земли (рис. 15.1).

 Вслед за  С. Верновым, американский учёный Дж. Ван-Аллен для изучения космических лучей установил на первом американском искусственном спутнике Земли “Эксплорер-1” такой же газоразрядный детектор, как и на 2-м советском спутнике.

 Каково же  было удивление американских  учёных, которые, взглянув на первую  полученную информацию, обнаружили, что их счётчик “захлёбывался”  от большого потока частиц. Один  из сотрудников Дж. Ван-Аллена, Э. Рэй даже воскликнул: “Боже мой, ведь космос радиоактивен!” (рис. 15.2). 
    Американские специалисты поняли, что они обнаружили что-то необычное. Интерпретация последовала довольно быстро: это авроральные частицы, которые приходят от Солнца и внедряются в высокоширотные области, вызывая полярные сияния. 
    Это была настоящая драма первооткрывателей космоса. И С. Вернов и Дж. Ван-Аллен столкнулись, на самом деле, с совершенно новым природным явлением – захваченными в магнитное поле Земли потоками заряженными частицами с большими энергиями. Позднее это явление было названо радиационными поясами. Однако в первых экспериментах они этого не осознали.  
    Понимание нового явления пришло немного позднее, спустя несколько месяцев, когда был запущен 3-ий советский спутник с обширным набором экспериментальной аппаратуры, позволивший детально исследовать пространственные распределения частиц на больших высотах; когда Ф. Зингер (учёный не из группы Дж. Ван-Аллена) опубликовал статью, правильно интерпретировавший американские результаты и когда появился первый механизм для объяснения существования гигантской ловушки для заряжённых частиц.  
    Так часто бывает в науке, когда изначальная цепь эксперимента приводит совершенно к другим результатам. А интерпретация полученных результатов порой находится под прессом существующих представлений.  
    Подробное рассмотрение радиационных поясов выходит за рамки данной книги. Здесь мы ограничимся лишь общими сведениями о них, необходимых для нашего дальнейшего изложения.

 Итак, что  же такое радиационные пояса  Земли? Взгляните на рис. 15.3. Гигантский  тор заряженных частиц с энергиями от самых малых – “плазменных” - в десятки-сотни кэВ, до энергий в ГэВ’ы, т.е. сопоставимых с энергиями космических лучей. Частицы радиационных поясов, захваченные в магнитной ловушке, совершают 3 характерных вида движений, в результате которых (см. рис. 15.4) собственно и “рождаются” их долгоживущие потоки. Это вращательное движение частиц вокруг магнитной силовой линии (ларморовское движение с радиусом, определяемым жёсткостью частиц), колебания вдоль магнитной силовой линии и азимутальный дрейф вокруг Земли. Времена этих видов движения сильно отличаются: от долей секунды для ларморовского движения и доходит до часа для азимутального дрейфа.

 Что напоминает  эта картина? 
    …Вскоре после успешной реализации атомного проекта и у нас в СССР и в США учёные приступили к решению проблемы создания термоядерного реактора. Для этого надо было создать условия для устойчивого удержания плазмы. Это можно сделать с помощью магнитного поля. Было предложено много различных видов магнитных ловушек, среди них – “ТОКАМАК”. До сих пор термоядерный реактор не реализован. Проблема удержания плазмы оказалась более сложной, чем это представлялось в начале исследований… Природа создала то, что не удалось пока сделать человеку. Внутри магнитного поля Земли реализуются условия для устойчивого захвата заряженных частиц.

 Откуда же  появились частицы радиационных  поясов?  
    Безусловно, космические лучи ответственны за появление частиц радиационных поясов, но сами они не могут быть захваченными, - по крайней мере, в течение длительного времени. Здесь уместно отметить, что “время жизни” – протонов с энергиями в сотни МэВ и более в самой ближней к Земле области поясов достигает сотен лет! 
    Оказывается космические лучи (протоны), достигая атмосферы и взаимодействуя с ней, образуют вторичные частицы – продукты ядерных реакций. Среди них есть нейтроны, часть которых летит в космическое пространство. Нейтроны – нестабильные частицы. Их время жизни ~15 мин. Они распадаются по уже известной читателю схеме их распада:

n

 Как мы  видим, продукт распада – заряженные  частицы – протоны и электроны.  Они и являются частицами, пополняющими  радиационный пояс.  
    Этот был первый механизм образования поясов, предложили С. Вернов и А. Лебединский сразу после их открытия в 1958 г. (см. рис. 15.5).

Однако, оказалось, что этот механизм, связанный с  генерацией нейтронов (нейтронов альбедо) космическими лучами, не может обеспечить заполнения частицами всех радиационных поясов.

Необходимо было найти другие. Конечно, взоры исследователей обратились к солнечному ветру –  постоянному потоку плазмы в межпланетной среде. Но… эти частицы, во-первых, каким-то образом должны проникнуть внутрь магнитосферы, а во-вторых –,значительно  увеличить свою энергию. Ведь энергия  частиц солнечной плазмы (~1 кэВ) значительно  меньше энергии частиц радиационных поясов. Вкратце, картина заполнения магнитосферы частицами солнечного ветра и их ускорения выглядит следующим образом. 
    Та доля частиц солнечного ветра, которая “сумела просочиться” внутрь магнитного поля, заполняет внешние области: между ударной волной и границей магнитосферы, хвост магнитосферы, полярные области… (см. рис. 13.6).  
    Особенно активную роль в пополнении частицами радиационных поясов выполняет хвост магнитосферы. Во время магнитных бурь именно здесь происходят мощные деформации магнитного поля, приводящие к генерации индукционных электрических полей, которые и ускоряют частицы солнечной плазмы. Часть этих частиц, уже ускоренных в хвосте, достигает внешних границ радиационного пояса и здесь начинается другой процесс, процесс их переноса внутрь, в направлении Земли. “Движущей силой” этого процесса также является солнечный ветер, вернее, его флуктуации: как крупномасштабные (типа СМЕ), так и более слабые, практически постоянно существующие в межпланетной среде. Флуктуации солнечного ветра создают колебания магнитного поля Земли, которые, собственно, и “загоняют” частицы внутрь магнитной ловушки. В процессе их переноса к Земле, они ещё больше увеличивают свою энергию. 
    Итак, уже два источника – космические лучи высокой энергии и солнечная плазма могут пополнять радиационные пояса. 
    Но это ещё не все источники.

 Велико было  удивление учёных в начале 70-х  годов, когда среди частиц во  внутренней магнитосфере они  увидели частицы земного происхождения  – ионосферные! Как отличили  эти частицы от солнечных? С  помощью приборов, которые разделяют  частицы по их энергиям, массе  и заряду. В ходе экспериментов  на спутниках было обнаружено, что ионосфера “фонтанирует”  в окружающее пространство кислород (рис. 15.6). Причём этот кислород  имеет заряд 1+ - он слабоионизирован, в отличие от солнечного, который  полностью, как говорят, “ободран”  – у него отсутствуют электронные  оболочки. Солнечный кислород (по  существу, - это голые ядра) имеет  заряд 8+. Так отличили солнечное  вещество от земного. Таким  образом, был обнаружен ещё  один источник частиц радиационных  поясов – ионосферный. 
    А в начале 90-х годов нашли ещё один – межзвёздное вещество. Уже упоминалось об аномальной компоненте космических лучей. Эти частицы (кислород, гелий, неон и др.) с энергией ~10-20 МэВ/нукл имеют заряд, близкий к 1+ и, следовательно, большую жёсткость. Такие частицы не могут захватываться магнитной ловушкой: слишком велик у них радиус кривизны их траекторий в магнитном поле. Однако был предложен механизм, который получил экспериментальные подтверждения, обеспечивающий заполнение радиационного пояса частицами межзвёздного вещества.

 Этот механизм  состоит в следующем (рис. 15.7). АКЛ проникают в глубь магнитосферы  и в верхних слоях атмосферы  происходит их перезарядка на  нейтральных атомах атмосферы.  В результате их заряд увеличивается,  радиус кривизны траектории резко  уменьшается и, тем самым, обеспечиваются  условия для устойчивого захвата.  Такой пояс действительно был  обнаружен в ходе отечественных  экспериментах на спутниках серии  “Космос”. Оказалось, что он располагается  на расстояниях, немного превышающих  2 радиуса Земли (R_З) от её поверхности (в плоскости экватора).

Однако этим механизмом не ограничивается роль галактических  космических лучей в формировании радиационного окружения Земли. Дело в том, что первичная компонента ГКЛ, взаимодействуя с атмосферой, генерирует поток вторичных мезонов (нейтральных  пи-мезонов ( ⁰)). Эти частицы –короткоживущие и распадаются на мю-мезоны ( ) и электроны. Некоторая часть этих электронов может выходить вверх, в открытый космос, создавая альбедный поток (см. рис. 15.5). Расчёты показывают, что энергия этих электронов достигает сотен МэВ, и они создают на малых высотах своеобразный ореол альбедных частиц вокруг Земли, внося дополнительный вклад в радиационное окружение Земли. 
    В целом, радиационные пояса заполняют довольно обширную область вокруг Земли – их внешняя граница расположена на расстоянии до ~7R_З (рис. 15.3). Эта зона поясов заполнена менее энергичными частицами по сравнению с внутренней. Именно во внутренней зоне, на расстоянии менее 2.5R_З обнаружены протоны с энергиями до 1 ГэВ. Во внешней зоне энергии протонов не превышают МэВ’ов. Магнитная ловушка, помимо протонов, заполнена многими другими ядрами, а также электронами. Энергия электронов в поясах достигает релятивистских энергий – несколько МэВ. 
   Мы познакомились с радиационными поясами Земли. История их открытия и последующие исследования – яркий пример успешного решения научной проблемы, во многом базирующейся на физике плазмы. Этому значительно способствовали интеллектуальный потенциал учёных, полученный в ходе реализации атомного проекта и начального периода термоядерных исследований, а также космические исследования, которые были особенно интенсивными в начальном периоде космической эры.

 Несмотря  на свою короткую жизнь, нейтроны, безусловно, присутствуют в межзвёздной  среде, Галактике и в Солнечной  системе. Но зарегистрировать  мы можем лишь те, которые рождаются  близко от нас. Где? 
    Солнце – мощный источник многих элементарных частиц ядер и, конечно, нейтронов. Последние образуются в результате ядерных реакций СКЛ с веществом солнечной короны. Однако наблюдать нейтроны от Солнца достаточно трудно. В первую очередь, дело в том, что из-за короткого времени жизни лишь небольшая часть их достигает Земли. А те, которые всё же попадают в атмосферу, начинают взаимодействовать с ядрами воздуха, превращаясь вновь в другие частицы. И всё же шансы их зарегистрировать специальными детекторами есть.  
    Во время мощных солнечных событий самые энергичные электроны могут достичь окрестности Земли, и приборы на спутниках могут их зарегистрировать. Но приборы должны быть очень чувствительны к нейтронам приходящим именно от Солнца. А этому мешает сам спутник, точнее те конструкционные материалы, из которого он построен. Оказывается, чем тяжелее (массивнее) спутник, тем больше образуется нейтронов местного, локального происхождения как результат взаимодействия заряжённых космических частиц с материалом, из которого сделан аппарат. Поэтому нейтронный детектор будет “захлёбываться” от избытка лишних, локальных нейтронов, рождённых самим спутником. Однако, если поток солнечных нейтронов достаточно мощный и эксперимент проводится на достаточно лёгком спутнике, шанс зарегистрировать солнечные частицы есть. И это было сделано уже много раз.

 Солнечные  нейтроны несут важную информацию  о генерации частиц на Солнце. Ведь они, будучи нейтральными, не следуют вдоль спиралей  Архимеда межпланетного магнитного  поля как заряженные частицы,  а летят по прямым траекториям.  Этот путь требует меньшего  времени и может дать информацию  учёным о начале и месте  инжекции частиц на Солнце, а  заодно и сведения о параметрах  вещества солнечной короны, где  они сами и рождаются.  
    А есть ли шансы зарегистрировать учёным солнечные нейтроны на Земле? Шансов ещё меньше, чем в космосе. Этому мешает атмосфера, в толще которой должны погибнуть эти частицы. Однако во время очень мощных извержений (так, например, было в конце октября 2003 г.) на наземной станции, обращённой к Солнцу, в районе полудня был зарегистрирован сигнал о приходе солнечных нейтронов с очень высокой (~100 МэВ) энергией. В этом был элемент везения: если бы извержение произошло раньше или позже, солнечным нейтронам пришлось бы преодолевать значительно большую толщу атмосферы, и они вряд ли достигли бы поверхности Земли. Именно поэтому события, связанные с приходом солнечных нейтронов, чрезвычайно трудно экспериментально исследовать.  
    Уже рассказывалось об альбедных нейтронах в окружающей космической среде. Это те частицы, которые являются продуктами ядерных реакций космических лучей с атмосферой. Они вылетают из атмосферы и создают дополнительный радиационный “фон” в ближнем космосе. 
    Поэтому космический аппарат, запущенный в ближний космос, испытывает тройную радиационную нагрузку от нейтронов. Среди них локальные, альбедные, а иногда, и солнечные (рис.15.8)

 Перед первым  полётом в космос человека, вопросы  радиационной безопасности тщательно  изучались. В космосе были проведены  эксперименты по определению  доз радиации на предполагаемых  орбитах. Оказалось, что на  орбитах 300-400 км (именно на таких  орбитах летают пилотируемые  космические корабли) потоки радиации  сравнительно невелики. Так, по  данным приборов, установленных  внутри орбитальной станции “Мир”,  дозы радиации изменялись в  довольно широких пределах: от 100 и до 800 мкГрей (10^-6Гр) в сутки, что является допустимой величиной для человека, но всё же это больше, чем получает персонал атомных станций в нормальных условиях. 
    Эта величина создаётся, в основном, за счёт частиц радиационных поясов, причём лишь в одном месте: в районе Южной Атлантики. Именно здесь радиационные пояса “провисают” над Землей из-за существования глубоко под Землей магнитной аномалии. Космические корабли, летающие над Землей, как бы “чиркают” пояса радиации в течение очень непродолжительного времени (рис. 16.1) на витках, проходящих район аномалии. На других витках потоки радиации отсутствуют и не создают хлопот участникам космических экспедиций.

 Однако впоследствии  оказалось, что район радиационной  аномалии “дышит”. Периодичность  дыхания аномалии – изменение  потоков частиц – соответствуют  циклу солнечной активности: в  минимуме активности потоки увеличиваются,  а в максимуме, наоборот, уменьшаются.  Казалось бы, парадокс? В годы, когда  наше светило с особой щедростью  извергает в пространство мощные  потоки солнечной плазмы и  частиц, радиационная аномалия…  затихает. Это – так. И происходит  это за счёт поглощения частиц  поясов атмосферой, которая нагревается  и охлаждается в соответствии  с активностью Солнца. В годы  максимума она разогревается,  плотность её частиц на орбите  пилотируемых кораблей увеличивается.  В эти периоды времени частицы  радиационных поясов начинают  всё чаще и чаще сталкиваться  с молекулами, атомами атмосферы  и терять свою энергию. Они  прекращают свою жизнь как  энергичные частицы радиационных  поясов. В годы минимума наблюдается обратная картина: потоки и дозы радиации значительно увеличиваются. 
    Однако магнитная аномалия в районе Южной Атлантики – не единственная радиационная “напасть” для космонавтов. Солнечные вспышки, генерирующие подчас весьма энергичные частицы (вспомнили? – вплоть до ГэВ’ов), могут создать большие сложности для полётов космонавтов. Какая доза радиации может быть получена космонавтом в случае прихода солнечных частиц к Земле – во многом воля случая. Эта величина определяется, в основном, двумя факторами: степенью искажения дипольного магнитного поля Земли во время магнитных бурь и параметрами орбиты космического аппарата в течение солнечного события. Депрессия магнитного поля во время бурь уменьшает минимальный порог обрезания по жёсткости СКЛ, позволяя им проникать на низкие широты. С другой стороны, влияние географического положения космического аппарата относительно начала возрастания солнечных частиц – действительно немаловажный фактор. Экипажу может повезти, если орбиты в момент вторжения СКЛ не проходят опасных высокоширотных участков.  
    Выше рассказано о возможной опасности, которую может вызвать космическая радиация. Насколько защищены от радиации космические станции, спутники и сами космонавты? Давайте рассмотрим эту проблему на примере некоторых наиболее сильных проявлений солнечной активности.  
    Одно из наиболее мощных протонных извержений – радиационная буря солнечных извержений, вызвавшая радиационную бурю вблизи Земли, произошло совсем недавно – 20 января 2005 г. Аналогичное по мощности солнечное извержение было 16 лет назад, в октябре 1989 г. Множество протонов с энергиями, превышающими сотни МэВ, достигли магнитосферы Земли. Кстати, такие протоны способны преодолеть защиту толщиной, эквивалентной примерно 11 сантиметрам воды. Скафандр космонавта – тоньше. Биологи считают, что если в это время космонавты оказались бы вне Международной космической станции, то, безусловно, воздействие радиации сказалось бы на здоровье космонавтов. Но они находились внутри неё. Защита МКС достаточно велика, чтобы обезопасить экипаж от неблагоприятного воздействия радиации во многих случаях. Так было и во время данного события. Как показали измерения с помощью радиационных дозиметров, “схваченная” космонавтами доза радиации не превышала той дозы, которую человек получает при обычном рентгеновском обследовании. Космонавты МКС получили 0.01 Гр или ~ 0.01 Зиверт (для биологических объектов целесообразней использовать биологические эквиваленты доз в единицах, учитывающих различие в степени поглощения различных видов излучений в биологических тканях (см. словарь терминов в конце книги)). Правда, столь малые дозы связаны и с тем, что, как об этом написано ранее, станция находилась на “магнитно-защищённых” витках, что может случаться не всегда. 
    В таблице 1 приводятся значения доз радиации, приводящих к возникновению определённых радиационных эффектов.

Таблица 16.1. Таблица радиационных рисков

 Несколько  Зивертов – громадная доза. Однако  и эта доза, если она получена  человеком не мгновенно, а постепенно, может и не привести к неблагоприятному  исходу. К тому же, не надо забывать  о возможной медицинской помощи  в случае радиационного заболевания.  
    Поэтому можно заключить, что радиационная среда на высотах орбитальных станций при самых неблагоприятных гелиофизических условиях, вряд-ли может привести к последней черте – дозам в несколько Зв.  
    Теперь посмотрим какова радиационная обстановка подальше от нашей планеты.

 До сих  пор мы рассматривали относительно  малые высоты над Землей. Гораздо  более опасными с точки зрения  радиационного влияния оказываются  высоты выше “пилотируемых”  орбит. Здесь космонавты сейчас  не летают. Но эта область, вплоть  до 7R_З очень сильно “населена” автоматическими космическими аппаратами. Как они “выживают”? В основном за счёт применения специальной защиты для электроники, использования материалов наименее чувствительных к радиации. 
    Однако, проблема радиационной безопасности автоматических аппаратов всё же существует. Перед конструкторами стоит задача создания нового поколения околоземных спутников со сроком активного существования до 15 лет. Согласитесь, это – немало, больше, чем солнечный цикл. Такой аппарат должен в полной мере испытать на себе воздействие космических радиационных бурь.

 Помимо вторжения  СКЛ, радиационные бури создают  и частицы радиационных поясов  Последние испытывают значительные  пространственные и временные  изменения своих потоков во  время магнитных бурь и солнечных возмущений. 
    В качестве примера можно привести поведение релятивистских электронов в радиационных поясах. На рис. 16.2 показано “поведение” электронов во всей области поясов в течение одного года. Согласитесь, амплитуды их вариаций во время магнитных бурь очень значительны как по интенсивности, так и по пространству. Вы можете видеть, что во время бурь потоки частиц “сползают” ближе к Земле, заполняя ранее пустовавшие области захваченной радиации.  
    Обнаружено, что их потоки сильно увеличиваются во время магнитных бурь и в периоды увеличения скорости солнечного ветра. Они создают реальную угрозу спутникам, находящихся в зоне всплесков их потока. Подчас это заканчивается весьма плачевно для спутников. Уже отмечено довольно много случаев, когда выход из строя отдельных систем спутников или даже прекращение их функционирования связан с резким усилением потока релятивистских электронов. Представьте себе мощный поток электронов с энергией в несколько МэВ, способный насквозь пробить оболочку спутника и создать большой поток вторичного тормозного излучения, состоящего из низкоэнергичных гамма-квантов.  
    Электроника спутника может не выдержать…

 Один из  эффектов воздействия энергичных  электронов показан на рис. 16.3. Электронный пучок таких частиц, проникая внутрь неметаллических  конструкций (например, пластика) вызывает  в нём внутренний электрический  пробой. Внутри образуется повреждения  – очень красивая фигура Лихтенберга.  Можно, представить последствия  воздействия такой “красоты”  на бортовую электронику спутника, где довольно много пластиковых  деталей. Недаром энергичные электроны  назвали киллерами спутников. 
    На рис. 16.4 наглядно демонстрируется связь наблюдающихся аномалий функционирования спутника и изменения потока релятивистских электронов. Спутники терпят бедствия, когда в космосе появляются мощные потоки этих частиц. 
    Именно потому, что радиация в космосе является одним из наиболее неблагоприятных факторов, влияющих на выполнение полётных заданий – будь то экипаж или сам космический корабль, ей уделяется особое внимание ещё на этапе проектирования. Помимо поиска и применения различных радиационностойких защитных материалов, дублирования и даже “троирования” электроники, на борту практически всех космических аппаратов устанавливают дозиметрическую аппаратуру, которая позволяет операторам на Земле отслеживать радиационную обстановку в космосе и, если это необходимо, проводить изменения в полётном задании, чтобы минимизировать возможный ущерб. Иногда даже простое выключение энергопитания всего спутника или отдельных его систем позволяет сохранить ему жизнь.

 Радиационные  поля вокруг Земли создают  не только СКЛ и частицы  радиационных поясов. Ведь есть  ещё и частицы сверхвысоких  энергий – космические лучи. Их  поток очень мал по сравнению  с остальными компонентами космической  радиации. Казалось бы, что они  не могут представлять собой  угрозу космической технике и  живым организмам. Однако…

 Читатель  хорошо знает о космической  одиссее американских астронавтов  на Луну. Земляне в течение  нескольких экспедиций путешествовали  на Луну на космических аппаратах  “Apollo”. Несколько дней астронавты  находились в космическом пространстве, в том числе длительный промежуток  времени – вне пределов земной  магнитосферы.

 Нил Армстронг  (первый астронавт, вступивший  на Луну) сообщил на Землю о  своих необычных ощущениях во  время полёта: порой он наблюдал  яркие вспышки в глазах. Иногда  их частота достигала около  сотни в день (рис. 16.5). Учёные стали  разбираться в этом явлении  и быстро пришли к выводу, что  ответственны за это… галактические  космические лучи. Именно эти  частицы высокой энергии, проникая  в глазное яблоко, вызывают черенковское  свечение при взаимодействии  с веществом, из которого состоит  глаз. В результате астронавт  и видит яркую вспышку. Наиболее  эффективно с веществом взаимодействуют  не протоны, которых в составе  космических лучей больше всех  остальных частиц, а тяжёлые частицы  – углерод, кислород, железо. Эти  частицы, обладая большой массой, теряют значительно больше своей  энергии на единицу пройденного  пути, чем их более лёгкие собратья. Именно они и ответственны  за генерацию черенковского свечения  и возбуждение ретины – чувствительной  оболочки глаза. Теперь это  явление широко известно. Оно,  вероятно, наблюдалось и до Н. Армстронга, только не все космические пилоты об этом сообщали на Землю. 
    Сейчас на борту Международной космической станции проводится специальный эксперимент по более глубокому изучению этого явления. Выглядит он так: на голову космонавта одевается шлем, начинённый детекторами для регистрации заряжённых частиц. Космонавт должен фиксировать момент прохождения частицы по наблюдаемым им вспышкам, а детекторы делают независимую “экспертизу” их пролёта через глаз и детектор. Световые вспышки в глазах космонавтов и астронавтов - пример того, как орган зрения человека – глаз – может служить детектором космических частиц.  
    Однако на этом неприятные последствия присутствия в космосе космических лучей высокой энергии не заканчиваются…

 Где-то лет  двадцать назад было замечено, что работа бортовых компьютеров  спутников может нарушаться. Эти  нарушения могут быть двух  типов: компьютер может “зависнуть”,  а через некоторое время восстановиться, но иногда и выйти из строя.  Опять-таки, изучая это явление,  учёные пришли к выводу, что  ответственны за него тяжёлые  частицы ГКЛ. Так же, как и  в с случае глазным яблоком,  они проникают внутрь чипа  и вызывают локальные, микроскопические  нарушения в его “сердце”  – чувствительной области полупроводникового  материала, из которого он изготовлен. Механизм этого эффекта показан  на рис. 16.6. В результате довольно  сложных процессов, связанных  с нарушением движения носителей  электрических токов в материале  чипа и происходит сбой в  его работе (их называют “одиночными  сбоями”). Это – неприятное явление  для бортовой аппаратуры современных  спутников, напичканных компьютерными  системами, управляющими его работой.  Как результат – спутник может  потерять ориентацию или не  выполнить необходимую команду  оператора с Земли. В худшем  случае, если нет на борту необходимой  дублирующей компьютерной системы,  можно спутник и потерять.

 Обратите  внимание на рис. 16.7. На нём  изображена частота сбоев, наблюдающаяся  на одном из спутников в  течение ряда лет. Здесь также  нанесена кривая солнечной активности. Налицо высокая корреляция обоих  явлений. В годы минимума солнечной  активности, когда поток ГКЛ максимален (вспомните явление модуляции), частота  сбоев нарастает, и она падает  в максимуме, когда поток ГКЛ  минимален. Невозможно бороться  с этим неприятным явлением. Никакая  защита не спасает спутник  от этих частиц. Уж слишком  велика проникающая способность  этих частиц с их громадными  энергиями. 
    Даже наоборот, увеличение толщины обшивки космического корабля приводит к обратному эффекту. Нейтроны, образуясь в результате ядерных реакций ГКЛ с веществом, создают сильный радиационный фон внутри корабля. Эти вторичные нейтроны, взаимодействуя с материалом расположенным вблизи чипа, генерируют, в свою очередь, тяжёлые частицы, которые, проникая внутрь чипов, создают сбои.

 Здесь необходимо  напомнить читателю, что тяжёлые  заряженные частицы встречаются  не только в космических лучах.  Они присутствуют и в составе  радиационных поясов, особенно много  их во внутренней, ближней к  Земле, части. Здесь, есть и  протоны и более тяжёлые частицы.  И энергия их может превышать  сотни МэВ. Теперь вспомним  про Южно-Атлантическую аномалию, которая “провисает” над Землёй. Нетрудно представить, что электроника  космического корабля, летающего  на высоте километров в 500 должна  “чувствовать” эти частицы. Так  оно и есть. Взгляните на рис  16.8: вы можете на нём увидеть,  что наибольшая частота сбоев  наблюдается как раз в районе  аномалии.   

 Аналогичное  явление происходит и при мощных  солнечных вспышках. Протоны и  тяжёлые ядра в составе СКЛ  могут вызвать в чипах такие  же одиночные сбои. И они действительно  наблюдаются. Один из таких  примеров показан на рис.16.9: во  время мощной солнечной бури 14 июля 2000г. (ввиду того, что она  произошла 14 июля в день взятия  Бастилии, ей присвоили имя “День  Бастилии”) на магнитосферу Земли  “обрушились” интенсивные потоки  солнечных протонов, вызвавших сбои  в работе спутников. Единственное  спасение от ГКЛ – киллеров  чипов – это технические средства, связанные с дублированием особо  важных электронных элементов  бортовой аппаратуры. 
    Не только инженеры, создатели бортовой электронной аппаратуры, обеспокоены присутствием в космосе высокоэнергичных космических лучей. Биологи также изучают механизмы воздействия этих частиц. Вкратце они выглядят следующим образом.  
    Вода, основное вещество биологических тканей, под действием радиации ионизируются, образуются свободные радикалы, которые могут разрушить молекулярные связи ДНК. Не исключён и сценарий прямого повреждения молекулы ДНК при торможении тяжёлой заряженной частицы (рис. 16.10).

 Результат?  Неприятные генетические последствия,  в том числе канцерогенные.  На рис 16.11 наглядно демонстрируется  эффект воздействия тяжёлых частиц  на биологическую ткань: число  повреждённых клеток в случае  воздействия частиц, более тяжёлых,  чем протоны, резко возрастает. 
    Безусловно, нельзя считать, что тяжёлые элементы в составе космических лучей – единственный агент, способный вызвать рак. Биологи, напротив, полагают, что среди всех прочих факторов внешней среды, способных воздействовать на ДНК, - радиации принадлежит отнюдь не лидирующая роль. Скажем, некоторые химические соединения способны вызвать куда более чувствительные нарушения, чем радиация. Однако в условиях длительного космического полёта, вне магнитного поля Земли, человек оказывается наедине, в основном, именно с радиацией. Причём это не совсем обычная, привычная для человека радиация. Это – галактические космические лучи, в составе которых, как мы теперь знаем, есть тяжёлые заряженные частицы. Они, действительно, вызывают нарушения ДНК. Это – очевидно. Не вполне очевидны последствия этого взаимодействия. Что значит утверждение о возможных, например, канцерогенных последствиях такого взаимодействия? 
    Здесь надо отметить, что на сегодняшний день специалисты по космической медицине и биологии не способны дать исчерпывающий ответ. Есть проблемы, которые надо решать в будущих исследованиях. Например, само по себе нарушение ДНК не обязательно должно привести к раку. Более того, молекулы ДНК, получив сигнал опасности о нарушении своей структуры, стараются включить “программу ремонта” самостоятельно. И это происходит, порой, небезуспешно. Любая физическая травма, тот же удар молотком по телу, вызывает гораздо больше нарушений на молекулярном уровне, чем радиация. Но клетки восстанавливают ДНК, и организм “забывает” об этом событии.  
    Стабильность ДНК чрезвычайно велика: вероятность мутации не превышает 1 на 10 миллионов вне зависимости от локальных условий. Это – фантастическая надёжность биологической структуры, ответственной за воспроизводство жизни. Даже сверхсильные радиационные поля не могут её нарушить. Есть ряд бактерий, которые не мутируют в огромных по мощности радиационных полях, достигающих многих тысяч Гр. Такую дозовую нагрузку не выдерживает даже кристаллический кремний и многие конструкционные материалы. 
    Проблема здесь, как это представляется биологам, состоит в том, что может быть сбой в программе ремонта: например, хромосома в результате может оказаться в совсем ненужном месте в структуре ДНК. Вот эта ситуация становится уже опасной. Однако и здесь возможна многовариантность последовательности событий. 
    Во-первых, надо учесть, что процесс мутации – размножении “неправильных клеток” занимает большой промежуток времени. Биологи полагают, что могут пройти десятилетия между первичным неблагоприятным воздействием и негативной реализацией этого эффекта. Это время необходимо, чтобы сформировать новообразование клеток, подвергнутых мутациям, состоящее из многих миллиардов. Поэтому прогноз развития неблагоприятных последствий – дело очень проблематичное. 
    Другая сторона проблемы воздействия радиации на биологические структуры, состоит в том, что недостаточно изучен процесс воздействия малых доз. Не существует прямой связи между величиной дозы – количеством радиации – и радиационными повреждениями. Как полагают биологи, разные типы хромосом, различным образом реагируют на радиацию. Одним из них для проявления эффекта “требуются” значительные дозы радиации, а другим достаточно и сверхмалых. В чём здесь причина? Ответа на это пока нет. Более того, не вполне ясны последствия воздействия на биологические структуры одновременно двух или нескольких видов радиации: скажем, ГКЛ и СКЛ, или ГКЛ, СКЛ и радиационных поясов. Состав этих видов космического излучения разный, и каждый из них может приводить к своим последствиям. Но не ясен эффект их совместного воздействия. Окончательный ответ на эти вопросы – лишь в результатах будущих экспериментов.

 Так писал  К. Циолковский. Человек уже  побывал на Луне. Недалеко время,  когда вновь возобновятся полёты  на нашу спутницу, а затем, вероятно, и на Марс. 
    При дальних космических полётах возрастает роль галактических и солнечных космических лучей как радиационно-опасных факторов. Подсчитано, что при полёте на Марс именно ГКЛ становятся основной радиационной опасностью. Полёт на Марс длится порядка 6 месяцев, и интегральная – суммарная - доза радиации от ГКЛ и СКЛ за этот период в несколько раз выше дозы радиации на МКС за то же время. Поэтому риск радиационных последствий, связанных с выполнением дальних космических миссий значительно возрастает. Так, за год полёта на Марс, поглощённая доза, связанная с ГКЛ, составит 0.2-0.3 Зв (без защиты). Её можно сравнить с дозой от одной из самых мощных вспышек прошлого столетия – августа 1972 г. Во время этого события она была в несколько раз меньше: ~0.05 Зв. 
    Радиационную опасность, создаваемую ГКЛ, можно оценить и предсказать. Сейчас накоплен богатый материал по временным вариациям ГКЛ, связанным с солнечным циклом. Это позволило создать модель, на основе которой удаётся предсказать поток ГКЛ на любой заданный вперёд период времени. 
    Гораздо сложнее обстоят дела с СКЛ. Солнечные вспышки возникают случайным образом и даже не очевидно, что мощные солнечные события возникают в годы, обязательно близкие к максимуму активности. По крайней мере, опыт последних лет показывает, что они происходят и во времена затихшего светила.  
    Протоны солнечных вспышек несут реальную угрозу космическим экипажам дальних миссий. Взяв вновь в качестве примера вспышку августа 1972 г., можно показать, пересчитав потоки солнечных протонов в дозу радиации, что через 10 часов после начала события, она превысила летальное значение для экипажа космического корабля, если бы он оказался вне корабля на Марсе или, скажем, на Луне. 
    Но человек был на Луне и полетит туда вновь. Как защититься от воздействия солнечных протонов, которые, в отличие от Земли, бомбардируют нашу спутницу, не испытывая никаких преград.  
    Здесь уместно вспомнить полёты американскго “Apollo” к Луне в конце 60-х – начале 70-х. В 1972 г., в августе, была такая же по мощности вспышка на Солнце, как и в октябре 1989 г. “Apollo-16” приземлился после своего лунного путешествия в апреле 1972 г., а следующий – “Apollo-17” стартовал в декабре. Повезло экипажу “Apollo-16”? Безусловно, да. Расчёты показывают, будь астронавты “Apollo” в августе 1972 г. на Луне, они бы подверглись облучению с дозой радиации в ~4 Зв. Это – очень много, чтобы спастись. Если… если быстро не возвратиться на Землю для экстренного лечения. Другой вариант – перейти в кабину лунного модуля “Apollo”. Здесь доза радиации уменьшилась бы в 10 раз. Для сравнения скажем, что защита МКС в 3 раза толще, чем лунного модуля “Apollo”. Обычно, толщину защиты оценивают в единицах, представляющих собой произведение плотности вещества r (г/см3) на его геометрическую толщину в см, т.е. в г/см2. Таким образом, удобно сравнивать длину пробега частицы, зависящей от , для разных веществ. В таблице 16.2 приводятся типичные величины защиты для разных космических аппаратов и скафандров.

Таблица 16.2. Толщины защит  космических аппаратов  и скафандра космонавта

 Возможный  сценарий неприятных последствий  сверхмощной вспышки типа августа  1972 г. показан на рис. 16.12. Только  убежище на Луне или жилой  отсек на орбитальной станции  может спасти космонавтов от  губительного воздействия радиации  такой вспышки. 

 Будущие исследователи  Марса (ведь эта планета практически  без магнитного поля и атмосферы)  также должны заблаговременно  позаботиться об укрытии в  убежищах от космической радиации, обусловленной солнечными вспышками.  
    Из того, что сказано выше, следует, что свести риск радиационного поражения к нулю в течение такого длительного космического полёта, каким является путешествие на Марс, нельзя. Но можно его минимизировать. Каким образом это можно сделать? Во-первых, необходимо правильно спланировать полёт на Марс. Как известно, что во время максимума цикла солнечной активности поток ГКЛ будет меньше из-за солнечной модуляции (см. главу 12). Поэтому старт надо выбирать именно в это время. Во-вторых, необходимо обеспечить надежную защиту корабля. Правильно выбранная защита, безусловно, значительно снизит радиационные дозы от СКЛ, даже во время сильных вспышек. Ну, а если конструкторы космического корабля предусмотрят специальный отсек-укрытие с более мощной защитой, это ещё больше снизит риск радиационного поражения. Но, в основном, только от относительно низкоэнергичной компоненты космических лучей – солнечной. 
    Из какого материала может быть создана защита корабля? Наиболее распространённый в космических кораблях материал – алюминий в силу своего малого удельного веса и прочности. Расчёты показывают, что можно создать межпланетный корабль с разумным весом и достаточно эффективной защитой от СКЛ. Разрабатываются новые виды защитных материалов, которые вкачестве защиты будут более эффективны, чем алюминий. К ним относятся, например, водородосодержащие пластики (например, типа полиэтилена). С помощью таких материалов можно создать защиту, которая при толщине 7 см будет уменьшать дозу радиации на 30-35%. Но и этого мало и следует либо увеличивать толщину защиты, либо уменьшать длительность полёта. И первое, и второе – нереально. Есть ещё один способ борьбы с этой проблемой. Это – медикоментозный. Вполне вероятно, что будущие марсианские пилоты будут снабжены эффективными противорадиационными препаратами.  
    И всё же: как уменьшить риск радиационного поражения при длительном космическом полёте от ГКЛ? Неужели нет никаких вариантов? На самом деле, ещё на заре космических полётов учёные и инженеры думали о технических средствах борьбы с радиацией. И в этом плане изучение возможности использования искусственных магнитных и электрических полей играло первостепенную роль

 Вспомните  нашу планету с её магнитным  полем. Именно магнитное поле  не позволяет большой доле  космических лучей достигнуть  Земли. Ну, а если вокруг космического  корабля создать искусственное  магнитное поле? 
    Такие проекты есть. Посмотрите на рис. 16.13. На нём изображён магнит с максимальной напряжённостью поля 70000 Гс. Внутри и вне этого магнита поле приближается к нулю (это обеспечивается специально разработанной конструкцией магнита). Поле такого магнита “отметёт” большую долю ГКЛ – как протонов, так и ядер. Расчёты показывают, что применение такого магнита позволит снизить в 3-4 раза дозу радиационного облучения за 2,5-летнюю экспедицию на Марс. Это немало. Аналогичное снижение дозы возможно, конечно, и с использованием алюминиевой защиты. Но такая защита будет весить 800 тонн! Корабль с магнитной защитой – 30 тонн. Но… как создать такое мощное магнитное поле? Это можно сделать только с использованием сверхпроводящих магнитов. Вы скажите – фантастика? Нет. Прообраз такого магнита уже создан, и он будет использован в эксперименте АMS - 02 (см. рис. 10.3) для исследования космических лучей на борту Международной космической станции. Так что, казалось бы, от фантастической идеи до её реализации, путь не такой уж и большой.

 Солнечные  вспышечные протоны могут создать  проблемы не только для космонавтов  и самих спутников. 

 Если бы  мы полетели от поверхности  Земли с дозиметром – прибором  для измерения доз радиации  – вверх (помните? – впервые  это сделал В. Гесс, но только с электрометром в руках в 1912 г.), то увидели бы увеличение количества радиации: дозы будут возрастать примерно вдвое каждые 2.2 км. Вначале, до высот в 20-30 км, это в основном связано с частицами ШАЛ (см. рис. 16.14) и даже до больших высот, если нет высыпаний релятивистских электронов из радиационных поясов и СКЛ от солнечных вспышек. На высотах орбитальных станций (~400 км) дозы радиации превышают величины, наблюдающиеся на поверхности Земли, в ~200 раз! В основном за счёт частиц радиационных поясов. 
    Известно, что некоторые трассы межконтинентальных самолётов проходят вблизи северной полярной области. Эта область наименее защищена от вторжения энергичных частиц и поэтому во время солнечных вспышек опасность радиационного облучения экипажа и пассажиров возрастает. Солнечные вспышки увеличивают дозы радиации на высотах полётов самолётов в 20-30 раз. 
    В последнее время экипажи некоторых авиалиний информируются о начале наступления вторжения солнечных частиц. Одно из недавних мощных солнечных извержений, случившеееся в ноябре 2003 г., заставило экипаж “Дельты” рейса Чикаго - Гонг-Конг свернуть с пути: лететь к пункту назначения более низкоширотным маршрутом. В результате было сожжено много лишнего горячего. А это немалые деньги. Это нельзя не принимать во внимание. Сейчас Европейский Союз принял даже новый закон для беременных женщин – пилотов самолётов – им запрещается налёт часов с суммарной дозой радиации более, чем 1-6 мЗв в год. А ряд исследовательских групп приступил к разработке моделей, которые позволят делать прогноз возрастания доз радиации на высотах полётов самолётов во время солнечных вспышек.